Sensores fotoeléctricos
A sensor fotoeléctrico es un dispositivo de detección óptica que combina una fuente de luz —un LED, un láser o un emisor de infrarrojos— con un fotodetector para detectar la presencia, la ausencia o la posición de un objeto o una marca mediante la transmisión, la reflexión o la interrupción de la luz. En el ámbito de la maquinaria rotativa, estos sensores suelen actuar como tacómetros: detectan una marca del eje una vez por vuelta para medir la velocidad y generan el impulso de sincronización por revolución que proporciona un fase referencia para equilibrando, y proporcionar fase clave funcionalidad para sistemas de protección de maquinaria crítica.
Su atractivo radica en su funcionamiento sin contacto, su respuesta extremadamente rápida, su inmunidad a los campos magnéticos y su capacidad para detectar materiales no ferrosos. Esa combinación los convierte en herramientas versátiles para la detección de velocidad y posición en prácticamente cualquier tipo de equipo rotativo, y constituye la base de la tacómetros ópticos y tacómetros láser utilizados en kits de equilibrado portátiles.
1. Modos de funcionamiento
Los sensores fotoeléctricos se clasifican en tres tipos según su disposición, que se diferencian por la ubicación del emisor y el receptor y por la forma en que el objeto interfiere en la trayectoria de la luz.
Haz pasante (modo opuesto)
La fuente de luz y el receptor se encuentran en carcasas separadas, situadas una frente a la otra, y la detección se produce cuando el objeto interrumpe el haz que atraviesa el espacio entre ambas. El alcance es considerable —puede llegar a varios metros— y su fiabilidad es la mayor de todos los modos, ya que es el más resistente a la suciedad y a las desviaciones de alineación. Entre sus aplicaciones habituales se encuentran el recuento de cuchillas y la detección de objetos en cintas transportadoras.
Modo retrorreflectante
El emisor y el receptor comparten una misma carcasa, con un reflector montado en el lado opuesto; el objeto se detecta cuando interrumpe la trayectoria de la luz reflejada. El alcance es moderado (varios metros) y su instalación en un solo lado resulta práctica, por lo que resulta adecuado para el recuento de piezas y la detección de objetos de mayor tamaño.
Modo de reflexión difusa: la opción más habitual para la tacometría
Una vez más, el emisor y el receptor comparten una misma carcasa, pero en este caso el sensor detecta la luz reflejada directamente por la superficie del objetivo. El alcance es corto —normalmente entre 5 y 500 mm— y la configuración consiste simplemente en apuntar y detectar. Este es el modo que se utiliza para detectar cinta reflectante para la medición de la velocidad y la fase, así como el principio en el que se basan los tacómetros láser.
2. Aplicaciones en la monitorización de vibraciones
En análisis de vibraciones el mismo sensor cumple varias funciones distintas:
- Medición de la velocidad: mediante la detección de una cinta reflectante o un elemento del eje una vez por revolución y el recuento de los impulsos, el instrumento calcula RPM, supervisa la velocidad de forma continua y la verifica durante las mediciones.
- Referencia de fase: El pulso de una vez por revolución define el punto de referencia de 0°, que es fundamental para los cálculos de equilibrado, lo que permite realizar mediciones con sincronización de fase y sincronizar seguimiento de pedidos.
- Función Keyphasor: Un sensor fotoeléctrico instalado de forma permanente puede actuar como Keyphasor, detectando una marca, una ranura o un elemento distintivo del eje en cada revolución para proporcionar la referencia de fase para sonda de proximidad sistemas —imprescindibles para la supervisión de la turbomaquinaria en API 670.
- Activación de eventos: el pulso puede activar la adquisición de datos en una posición específica del eje, disparar un estroboscopio para la visualización fotograma a fotograma, o bien sincronizar las mediciones con la rotación.
3. Características que importan
Hay tres parámetros que determinan si un sensor funcionará correctamente en una instalación concreta.
- Tiempo de respuesta: Desde microsegundos hasta milisegundos, debe ser lo suficientemente rápido para la velocidad máxima medida. Un eje a 10 000 rpm pasa por su marca a unos 167 Hz, por lo que un pulso limpio requiere una respuesta inferior al milisegundo.
- Distancia de detección: Cada modelo tiene una distancia mínima y máxima de funcionamiento que varía en función de la reflectividad del objetivo; los sensores de modo difuso suelen funcionar a una distancia de entre 50 y 300 mm.
- Fuente de luz: rojo visible (630–670 nm) es fácil de enfocar; infrarrojos (850–950 nm) ofrece un mejor rendimiento con luz ambiental intensa; a láser proporciona un haz muy concentrado, mayor alcance y un disparo más preciso.
4. Instalación y configuración
Para que el disparo sea fiable, lo más importante es realizar un montaje cuidadoso. El sensor debe orientarse perpendicular a la superficie reflectante para obtener la señal más potente, colócalo a la distancia indicada en las especificaciones, fíjalo de forma rígida para que las vibraciones no desvíen su orientación y protégelo de posibles daños mecánicos. El propio objetivo es igual de importante: coloca cinta reflectante en un lugar adecuado de la superficie limpia del eje y asegúrate de que haya exactamente una marca por vuelta (una segunda superficie reflectante provoca un doble recuento), y comprueba que la marca esté bien fijada y no se desprenda a alta velocidad. Por último, alinea apuntando hacia la marca, observa el indicador LED del sensor para comprobar que la señal sea estable, bloquea la posición y realiza una prueba con una rotación completa para confirmar que la detección es fiable antes de dar por válida la lectura.
5. Ventajas
El principio óptico sin contacto ofrece varias ventajas:
- Sin contacto mecánico: Sin fricción ni carga en el eje, sin desgaste, funcionamiento seguro alejado de las piezas giratorias y apto para cualquier velocidad.
- Independencia del material: Funciona tanto con metales ferrosos como no ferrosos, así como con plásticos, materiales compuestos y madera; lo único que necesita es contraste óptico.
- Respuesta rápida y clara: apto para aplicaciones de alta velocidad, ya que genera impulsos digitales nítidos con una sincronización precisa.
6. Limitaciones
Este mismo principio óptico impone algunas limitaciones que conviene tener en cuenta a la hora de planificar:
- Sensibilidad medioambiental: La luz ambiental intensa puede interferir, mientras que el polvo y la neblina de aceite en los componentes ópticos reducen el rendimiento, por lo que la lente requiere una limpieza periódica y puede necesitar una carcasa protectora en entornos hostiles.
- La alineación es fundamental: El sensor debe mantener el objetivo en su punto de mira, y cualquier vibración o movimiento puede desviarlo de su posición, lo que constituye otra razón para que el montaje sea estable.
- Dependencia del objetivo: Debe haber una marca u objeto reflectante; los cambios en la reflectividad afectan a la lectura, y la cinta puede desprenderse con el tiempo.
Cuando no es viable utilizar un lector óptico fijo, los ingenieros suelen recurrir a alternativas no ópticas, como un sonda de proximidad (de corrientes parásitas) la lectura de un chavetero, que no requiere cinta adhesiva y a la que no le afecta la suciedad ni la luz.
7. Sensores fotoeléctricos en el equilibrado de campo práctico
En un instrumento portátil, el tacómetro láser de reflexión difusa es el sistema de detección de fase estándar precisamente porque no requiere ninguna preparación del eje más allá de una tira de cinta adhesiva. El Balanset-1A viene equipado precisamente con este tipo de tacómetro óptico láser: se activa mediante un pequeño trozo de cinta reflectante, funciona a una amplia distancia de trabajo y emite el pulso por revolución que el software necesita para calcular la magnitud y el ángulo de cada peso de corrección y para verificar el desequilibrio residual tras la corrección. En resumen, la rápida respuesta del sensor fotoeléctrico, su independencia del material y su funcionamiento sin contacto lo convierten en un tacómetro ideal, que complementa el acelerómetros en un sistema completo de monitorización del estado y equilibrado.
